综述：钾稳态与细胞内钾缺乏的系统性后果：从分子机制到临床表型

《Biomolecules》：Potassium Homeostasis and the Systemic Consequences of Intracellular Potassium Deficiency: From Molecular Mechanisms to Clinical Manifestations

　　

肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种破坏性极强且致死率极高的疾病，现有疾病修饰疗法的获益十分有限。明确其潜在发病机制对开发有效治疗手段至关重要。越来越多证据表明，ALS并非仅累及运动神经元，而是涉及多种神经元及胶质系统，并可延伸至外周器官，且常处于亚临床水平。此类多系统改变可能早于明显神经系统症状数年出现，同时伴随代谢紊乱，包括进行性体重减轻和高代谢状态。在外周组织中，持续的细胞更新及相关的免疫炎症反应可能进一步增加能量需求。在此框架下，线粒体功能障碍成为生物能量学受损及系统性代谢衰竭的核心机制。线粒体不仅调控能量生成，还参与氧化应激反应，而氧化应激又可加剧线粒体损伤，形成自我放大的恶性循环。值得注意的是，多种家族性ALS的遗传亚型均直接影响线粒体通路，且散发性ALS中也观察到相似的生化异常。这些共性特征提示线粒体功能障碍是各ALS亚型共有的核心通路。因此，靶向线粒体损伤的上游机制可为阐明ALS发病机制及开发有效疗法提供统一的策略。

1. 1.
   引言
   肌萎缩侧索硬化（ALS）由Charcot首次详细描述其预后特征，至今该疾病仍缺乏治愈手段，尽管抗SOD1反义寡核苷酸（ASO）的应用为遗传性ALS带来了新的希望，多学科诊疗团队的介入也显著改善了患者及照护者的管理质量。目前获批的疾病修饰药物对疾病进展的延缓作用有限，深入解析ALS的病因与致病机制仍是开发真正有效治疗策略的核心前提。现有研究已突破传统“单纯运动神经元变性”的认知框架，证实ALS是一种复杂的多系统疾病，除中枢运动网络受累外，还存在广泛的中枢代谢改变及系统性代谢紊乱。本综述系统梳理了ALS中枢神经系统多系统受累的证据，涵盖传统认知之外的多个脑区，同时总结了外周器官亚临床受累的相关发现，提出代谢异常及广泛性线粒体功能障碍是ALS病理生理的核心组成部分，旨在为拓展ALS机制研究视角及探索未来研究方向提供参考。
2. 2.
   综述方法
   本综述的文献检索主要基于PubMed/Medline数据库，辅以Scopus及Web of Science核心合集数据库，初始检索词为“ALS amyotrophic lateral sclerosis”，并根据研究主题逐步补充特异性关键词，通过追踪参考文献实现文献的全面覆盖。研究中将ALS病例按常规分类分为散发性ALS（sALS）与家族性ALS（fALS）。撰写过程中仅在语言润色及表述规范层面有限使用了ChatGPT（OpenAI；GPT-4及GTP-5.5软件）辅助。
3. 3.
   多系统神经元受累
   传统观点认为ALS的运动神经元受累属于亚急性或慢性多系统变性的谱系表现，以运动系统特定组分易损为特征，前角细胞及脑干运动神经元的广泛受累长期被视为其特征性病理改变。近年来，胶质细胞尤其是星形胶质细胞的生理功能被重新认识，其不仅参与神经元代谢支持、结构维持，还调控突触发生及突触传递，且在脑内存在显著的区域异质性。小胶质细胞与星形胶质细胞可通过与外周免疫细胞的串扰发挥神经保护与损伤的双重作用，这种神经元-非神经元的交互网络极为复杂。神经元-星形胶质细胞代谢相互作用在ALS选择性运动神经元丢失中发挥关键作用，尤其在谷氨酸能运动神经元中，星形胶质细胞可导致细胞外谷氨酸水平升高，同时也自身易受谷氨酸介导的毒性损伤，二者间的相互作用在ALS中存在明确异常。体外研究证实星形胶质细胞在ALS中具有非细胞自主性毒性，可直接诱导神经元死亡。
   除运动系统外，ALS的神经受累范围已扩展至更广泛的神经网络。额颞叶神经元受累已被纳入ALS疾病谱，额颞叶痴呆的临床与神经病理实体最早由Mitsuyama描述，后续研究明确了ALS与额颞叶变性同属多系统神经退行性疾病的病理连续性。TDP-43包涵体在ALS与额颞叶痴呆（FTD）中的共同发现，以及C9orf72突变作为家族性ALS致病基因的鉴定，进一步证实中枢受累包含额颞叶认知功能损害。散发性ALS队列研究显示，6.5%的患者符合额颞叶痴呆诊断标准，54.2%存在轻度认知损害，仅39.2%认知功能处于正常范围，提示额颞叶认知损害已成为散发性ALS的重要组成。
   下丘脑受累是近年ALS多系统病理的新发现，2014年Appel团队首次在部分ALS病例的下丘脑中发现特征性TDP-43病理改变，后续多项神经病理学研究证实了该发现。结构影像学显示ALS患者存在下丘脑体积缩小，尤以腹侧-背侧下丘脑亚区萎缩为著；功能磁共振成像则发现下丘脑连接性降低。外周脂质代谢指标血管生成素样蛋白（ANGPTL）系统与下丘脑萎缩程度相关，提示外周脂质代谢受特定下丘脑环路调控。最新研究还表明下丘脑是线粒体功能衰竭及神经免疫紊乱的早期发生部位。
   上述发现提示ALS不仅累及运动及额颞叶认知行为网络，还影响调控代谢、内分泌、免疫及行为功能的下丘脑环路。此类神经元系统的选择性易损可能与极高的能量需求及对细胞能量稳态紊乱的特殊敏感性相关，视觉/视网膜及嗅觉系统的细微受累进一步支持ALS中枢神经系统多系统受累的特征。
4. 4.
   ALS是一种全身性疾病
   Stanley Appel团队最早基于ALS患者广泛的全身性促炎反应提出ALS为系统性疾病的概念，除传统认知的运动神经元变性外，多生理系统均存在受累证据。
   4.1 全身及睡眠相关症状
   苏格兰ALS/运动神经元病（MND）患者的问卷研究显示，患者存在疼痛、疲劳、胃肠功能紊乱、睡眠障碍、情绪改变、焦虑、唾液分泌异常、淡漠、情绪不稳、认知主诉及性功能障碍等多种非运动症状，多数与下丘脑调控异常相关。尽管患者常自述无明显睡眠问题，但客观评估显示其睡眠质量显著受损，随疾病进展，异常睡眠行为可反映更广泛的下丘脑功能障碍，家族性ALS患者的日间过度嗜睡发生率高于散发性ALS。需注意排除未被识别的呼吸功能不全及夜间高碳酸血症对睡眠质量的干扰。
   4.2 皮肤系统
   Charcot早已观察到ALS患者即使长期卧床也极少发生压疮，后续研究证实这一现象与皮肤胶原结构异常相关：ALS患者真皮胶原束数量减少、排列疏松，胶原纤维直径与病程呈负相关，真皮内无定形物质显著增加。皮肤活检可检测到TDP-43、泛素阳性包涵体及罕见的FUS包涵体，再现了神经系统的病理特征，基质金属蛋白酶-9（MMP-9）在脑脊液及皮肤中均显著升高，提示神经与皮肤病理存在潜在关联。症状前携带家族性ALS突变的个体皮肤活检即可发现TDP-43包涵体，最长可在活检后26.5年才出现临床确诊的ALS。散发性ALS患者皮肤角质形成细胞的线粒体存在显著超微结构异常，包括线粒体体积减小、面积及周长缩短、嵴结构及外膜破坏；患者来源的皮肤成纤维细胞培养也显示明确的线粒体异常，基于患者皮肤细胞构建的三维人工皮肤模型可再现TDP-43聚集及炎性焦亡性程序性细胞死亡，为ALS研究提供了新型工具。
   4.3 肝脏系统
   ALS患者肝活检的超微结构分析显示线粒体结构异常，包括巨大线粒体、线粒体内平行晶体包涵体、粗面内质网层状结构紊乱及滑面内质网数量增加，同时患者轻度肝功能异常的检出率较高。磁共振成像研究提示约77%的各类MND患者（含sALS与fALS）存在非酒精性脂肪肝或肝脂肪变性表现。
   4.4 骨骼肌系统
   骨骼肌是人体最大的器官，占总体重的一半，ALS中骨骼肌会出现继发于运动神经元变性的失神经萎缩，但研究提示其病理改变并非单纯失神经萎缩，还存在固有肌肉异常。亚极量有氧运动测试显示ALS患者骨骼肌氧耗成本（mL氧/kpm）显著升高，血浆游离脂肪酸、β-羟基丁酸酯及酯化肉碱等循环代谢产物水平异常升高，静息及增量自行车运动测试中乳酸水平均升高，提示厌氧代谢增强、乳酸生成超过清除能力，反映线粒体氧化代谢受损。
   4.5 血液系统
   ALS患者血小板线粒体存在超微结构异常，包括颗粒及空泡改变，提示轻度线粒体功能障碍，进一步研究证实其线粒体膜电位异常、去极化及凋亡增加，提示功能受损。血小板代谢组及脂肪酸分析显示与对照组存在显著差异，循环单核细胞的线粒体复合物IV（细胞色素c氧化酶）活性降低但线粒体含量增加，可能为代偿性反应。淋巴细胞线粒体功能研究显示复合物I（NADH脱氢酶）缺陷、细胞内ATP水平降低及ADP水平代偿性升高。多重ELISA分析发现基质金属蛋白酶及其组织抑制剂广泛异常，提示骨髓基质区也存在酶学改变，证实ALS为全身性疾病，而非局限于神经系统。
   4.6 自主神经系统
   4.6.1 一般特征
   ALS患者确诊时即存在多种自主神经症状，且随疾病进展加重，自主神经症状负荷越高预后越差。特异性自主神经功能评估显示患者胃肠及泌尿症状亚评分显著升高，存在亚临床交感泌汗功能受损，副交感神经功能也存在异常，表现为心脏迷走神经反应受损、迷走神经超声显示萎缩，延髓起病患者的交感泌汗功能损害更显著。皮肤及自主神经的组织学分析显示表皮内神经纤维及Meissner小体丢失，立毛肌神经（含胆碱能与去甲肾上腺素能纤维）密度降低，真皮血管密度下降。
   4.6.2 心血管系统
   心肌细胞与神经元同为高氧需求、有丝分裂后的易损细胞类型。近期研究显示心肌肌钙蛋白T（cTnT）联合神经丝轻链（NfL）可提高ALS与其他神经退行性疾病的鉴别效能，提示ALS患者心肌肌钙蛋白释放增加。心血管自主神经检测的一致发现为心率变异性降低及交感神经过度激活，常表现为轻度静息心动过速，提示基础心血管自主控制相对完整，但以交感优势、迷走神经张力减退及压力反射敏感性降低为特征，该生理模式与原发性高血压相似。意大利多中心研究显示高血压、心脏病及血液系统疾病与ALS生存期缩短独立相关，提示心血管合并症对预后的影响值得进一步研究。
   4.6.3 胃肠系统
   胃肠自主神经功能评估显示胃排空延迟，平均排空时间为218±48分钟，长于健康对照的138±34分钟，结肠传输时间同样延长，导致便秘高发，66例患者随访显示便秘发生率从基线33%升至确诊后65%，虽ALS便秘为多因素所致，但胃肠自主神经功能障碍是重要贡献因素。
   4.7 外分泌系统（胰腺、唾液腺及汗腺）
   研究显示ALS患者外分泌腺功能受损，腮腺及下颌下腺的分泌功能均显著降低，且多为亚临床水平，交感泌汗功能检测也证实汗腺功能异常。
   4.8 内分泌与激素系统
   复杂的内分泌与代谢调节主要由下丘脑协调，部分脑区也参与其中，这些区域存在代谢激素受体，提示神经内分泌信号通路可能参与ALS及额颞叶痴呆的发病机制。ALS的性别二态性特征提示内分泌、激素或神经胶质因素可能影响疾病易感性或进展，绝经后男性优势降低，老年男性延髓起病比例高于年轻男性，但目前尚无明确证据表明ALS存在全身性内分泌或激素受累。
   4.9 免疫系统与炎症反应
   免疫功能受下丘脑及脑干为核心的分布式神经调控网络调节，效应调节主要通过自主神经系统及神经内分泌通路实现。ALS的神经退行性变伴随特征性的中枢神经系统神经炎症反应，同时病程中出现外周炎症标志物激活，提示全身性免疫激活。研究显示CD8⁺T细胞及自然杀伤T（NKT）细胞生成增加，可能反映对未知内源性蛋白或病毒抗原的免疫反应。意大利人群研究显示系统性免疫失调及先天免疫反应增强与疾病进展加快及生存期缩短相关，近期研究进一步提示中枢与外周免疫系统存在交互作用，巨噬细胞激活及CD8⁺T细胞克隆扩增支持外周免疫细胞与中枢神经炎症通路的双向通讯，激活的小胶质细胞可促进外周炎症细胞向中枢神经系统招募。目前尚不确定ALS是否存在自身免疫成分。低剂量白细胞介素-2（IL-2）的探索性研究显示其可能具有疾病修饰潜力，提示免疫通路调控可作为治疗方向。
   炎症标志物方面，ALS患者循环中C反应蛋白（CRP）、纤维蛋白原、红细胞沉降率（ESR）及中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）均显著升高，且与疾病负荷、进展速率及生存期相关，支持ALS存在广泛性全身促炎反应。此类炎症标志物升高在其他神经退行性疾病中未观察到一致结果，提示该炎症特征可能对ALS具有相对特异性，目前仍需明确其为神经退行性变的继发性反应还是原发性免疫过程。
   4.10 视觉与视网膜系统
   视网膜是中枢神经系统的直接延伸，高分辨率频域光学相干断层扫描（OCT）显示ALS患者存在特征性视网膜改变，包括黄斑厚度及视网膜神经纤维层（RNFL）轻度变薄，内核层显著变薄。C9orf72相关ALS患者可存在视路前段异常，内核层锥双极细胞受累可解释细微的视觉功能缺损。后续研究证实ALS患者存在视网膜各层结构异常及脉络膜层增厚。英国生物样本库约54000名受试者的OCT数据随访14年的研究显示，最终确诊ALS的个体在临床症状出现前的临床前阶段即可检测到视网膜异常，提示OCT可用于识别临床前神经退行性改变。另有研究直接在ALS患者视网膜中发现类球体及轴突病理改变，再现了中枢神经系统的特征性神经元病理。
   4.11 嗅觉系统
   嗅觉系统同样是中枢神经系统的直接延伸，关岛型ALS-帕金森病-痴呆综合征患者早已发现嗅觉功能障碍，近期研究证实ALS患者存在显著嗅觉损害，且与认知行为损害相关。神经影像学研究显示嗅觉障碍与左侧眶额皮质（含直回及内侧眶回）及右侧海马萎缩显著相关。
   4.12 骨骼系统
   骨健康评估显示ALS患者（尤其女性）骨密度及其他代谢参数显著差于健康对照，但针对ALS骨代谢及骨骼健康的研究仍较少。
   4.13 多系统受累总结
   上述多器官系统的观察结果证实ALS并非局限于运动神经元，而是多系统疾病。外周组织结构病理改变、循环细胞及其他组织的线粒体功能障碍，以及自主、内分泌、免疫及感觉系统的调控异常，共同提示细胞能量稳态及代谢的广泛性紊乱可能是ALS发病的核心环节。
5. 5.
   ALS是一种代谢性疾病
   代谢性疾病源于调控代谢物合成、分解、转运或储存的生化通路缺陷，现有证据提示系统性能量代谢紊乱是ALS病理生理的核心特征，首先表现为严重的体重减轻。
   5.1 体重减轻
   1979年Forbes Norris首次描述ALS患者的严重体重减轻，提出“ALS恶病质”的概念。体重是遗传、社会经济、环境、医疗、心理及生活方式等多因素共同决定的综合代谢状态。早期研究即发现入组前2个月的体重减轻可预测生存期缩短，后续多项研究及PRO-ACT大型数据库分析均证实体重减轻与生存期缩短相关，且该效应在男性中更为显著。人群研究显示约三分之二的ALS患者在确诊时已存在体重减轻，且独立于吞咽困难，与生存期缩短相关。近半数患者存在营养不良，食欲下降高发且与体重减轻及脂肪量减少显著相关，中国24000例ALS全国队列显示31.7%患者合并吞咽困难，营养不良与体重减轻与疾病状态显著相关。乳酸作为ALS的能量底物，其低水平与死亡风险升高及体重减轻增加相关，可作为营养状态的预后标志物。
   身体成分分析进一步明确ALS患者体重丢失的动态变化，生物电阻抗分析（BIA）、总每日能量消耗（TDEE）及静息能量消耗（REE）等评估显示患者存在能量消耗与补充失衡。体重管理是ALS诊疗的核心环节，利鲁唑被报道可减轻疾病早晚期患者的体重丢失，该发现值得进一步研究。
   5.1.1 体重减轻的临床前影响
   大型前瞻性队列研究显示，诊断前数年的低体重指数（BMI）与ALS发病风险升高相关，BMI每升高5单位，ALS发病风险降低约21%，超重及肥胖人群的发病率显著低于BMI正常人群。德国ALS登记处病例对照研究显示ALS患者BMI在发病前10年即开始显著下降，且与生存期缩短相关。其他研究也证实患者入组前5年即存在进行性体重减轻，发病前10年BMI轨迹下降显著者的生存期最差，提示体重改变可能早于临床发病数十年，仍需前瞻性研究明确二者的时序关系。
   5.1.2 体重减轻与下丘脑受累的关系
   研究证实散发性及家族性ALS患者及症状前突变携带者均存在显著的下丘脑萎缩，尤以腹侧及背侧下丘脑亚区为著，下丘脑体积与BMI显著相关，且该相关性在症状前突变携带者中已存在。另有研究显示下丘脑萎缩与生存期缩短显著相关。
   5.1.3 体重减轻的非下丘脑原因
   全基因组关联研究（GWAS）鉴定出ACSL5等候选基因，可能连接遗传易感性与代谢调节及体重调控。另有研究探索ALS严重体重减轻与肿瘤恶病质的潜在共性机制，动物模型研究已开始探索二者的机制关联。
   5.2 高代谢状态
   研究显示61例ALS患者中48%的实测静息能量消耗较计算均值高约20%，且该高代谢状态在校正瘦体重后仍持续存在，并在疾病进程中相对稳定。后续大样本队列研究证实超过半数ALS患者存在高代谢，实测REE高于预测值20%以上的患者预后显著差于无高代谢者，高代谢与更快的功能衰退及更短生存期的相关性得到其他研究团队验证，非SOD1家族性ALS患者中也观察到与散发性ALS相当的高代谢状态。需注意疾病亚型、合并用药及合并症等因素对能量消耗的干扰，目前仍需进一步研究明确ALS高代谢的机制。有趣的是，高代谢在正常体重患者中与生存期缩短相关，而在已存在营养不良的患者中却与生存期延长相关，提示能量代谢、营养状态与疾病进展间存在复杂交互，需进一步阐明其生物学机制与临床意义。
   5.3 脂质代谢
   早期研究即发现高脂血症是ALS生存期的显著保护因素，后续大样本队列验证了血脂异常与生存改善的正相关，不同脂蛋白亚型的预后价值也被关注。但研究结果存在不一致性，部分研究显示校正预后协变量后无脂质参数与生存期显著相关，德国南部ALS登记处数据显示高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）及低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平升高与死亡率增加相关，而甘油三酯水平升高与死亡率降低相关；荟萃分析与人群研究显示HDL-C升高与较差预后相关。α-亚麻酸（ALA）高水平与ALS生存期延长及功能衰退减慢相关，LDL胆固醇是ALA转运与代谢的重要介质。
   5.3.1 脂质水平的临床前改变
   瑞典国家医疗数据显示，ALS确诊前10年内，后续发病者的葡萄糖、LDL-C、HDL-C、载脂蛋白B及载脂蛋白A-1水平呈进行性升高；英国人群研究显示HDL、载脂蛋白A1及LDL水平与ALS发病风险相关；其他研究也证实诊断前高HDL-C水平与ALS风险升高相关，遗传预测的LDL-C水平升高与ALS风险显著增加相关。荟萃分析与孟德尔随机化研究进一步证实LDL-C及总胆固醇与ALS风险的关联，以及载脂蛋白B与ALS及额颞叶痴呆风险的关联。挪威40年随访数据显示高LDL-C水平与40余年后的ALS发病风险升高相关，支持潜在的因果关系，同时部分脂质标志物的升高也可能是疾病的代谢后果。
   5.3.2 胆固醇：必需但过量有害
   胆固醇是中枢神经系统细胞膜结构、信号传导及细胞稳态的核心决定因子，也是脂筏的关键组成成分，脂筏是富含胆固醇、鞘脂及信号蛋白的动态多分子复合物，是信号转导的重要平台。ALS中脂筏结构 destabilization可改变其物理特性并破坏细胞信号传导。神经元变性时释放的胆固醇可生成40余种甾醇及胆固醇代谢物，但ALS中这些甾醇的分解代谢酶通路受损，可能导致毒性胆固醇衍生物在中枢蓄积。线粒体胆固醇过量蓄积会损害其功能，骨骼肌中也存在胆固醇代谢异常，ALS患者肌管及症状前突变携带者的肌细胞均存在胆固醇过度蓄积，伴随溶酶体胆固醇转运蛋白NPC1及NPC2激活，肌细胞代谢向优先利用脂肪酸转变。
   5.3.3 其他脂质改变
   肠道菌群改变与ALS患者特征性血浆脂质谱相关，提示微生物组成与系统性脂质代谢的交互作用。载脂蛋白E（APOE）基因型（尤其ε2等位基因）是ALS认知损害的潜在危险因素。孟德尔随机化代谢组研究鉴定出肉碱代谢及短链酰基肉碱通路异常，提示脂肪酸氧化及线粒体脂质代谢受损。脂质组学分析显示ALS患者血浆、血清、皮肤成纤维细胞及线粒体、内质网组分中存在390余种脂质物种异常，提示脂质组学分析可为ALS代谢改变提供重要视角。
   5.4 碳水化合物与葡萄糖代谢
   1964年即报道ALS存在葡萄糖代谢异常，数年后发现胰岛素抵抗。荟萃分析显示糖尿病患者发生ALS的风险显著低于非糖尿病患者，但系统评价未发现糖尿病与ALS严重程度、进展或生存期的一致关联，意大利大型人群研究也支持糖尿病对ALS风险的保护作用。ALS患者常存在糖耐量异常，可能与游离脂肪酸水平升高相关，共同构成多因素代谢紊乱的一部分。细胞层面，ALS肌细胞表现为糖酵解减弱、脂肪酸利用增加，而ALS运动神经元则增加糖酵解以代偿线粒体功能受损及脂质β氧化障碍，体现细胞类型特异性的代谢重塑。部分研究显示脊髓起病ALS患者的外周胰岛素抵抗重于延髓起病者，可能与骨骼肌受累更广泛相关。
   饮食因素也可能影响ALS进展，大型前瞻性队列显示高膳食血糖指数及血糖负荷（反映葡萄糖可用性更高）与疾病进展减慢相关，且该效应在利鲁唑治疗患者中更为显著。利鲁唑作为少数获批的疾病修饰药物，被报道可改善脑葡萄糖代谢及整体营养状态，其代谢效应的具体机制仍需深入研究。
   5.5 氨基酸代谢
   骨骼肌（丙氨酸、谷氨酰胺）及脑内（神经元-星形胶质细胞谷氨酸-谷氨酰胺循环）的氨基酸合成与互变高度依赖线粒体三羧酸（TCA）循环通量及细胞氧化还原平衡，这些过程主要由肝脏代谢协调，因此线粒体功能障碍可直接扰动局部神经递质稳态及系统性氮转运。多项代谢组学研究证实ALS存在氨基酸代谢紊乱，谷氨酸作为主要的兴奋性神经递质，其水平升高常与疾病进展相关。精氨酸代谢异常可能参与神经变性及肌痉挛等临床表现，精氨酸与脯氨酸联合水平改变与疾病进展相关。早发型ALS患者存在亮氨酸水平降低及谷氨酸水平升高。谷氨酸代谢与线粒体功能密切相关，通过氧化脱氨基及谷氨酸衍生碳进入三羧酸循环发挥作用。纵向代谢组学研究结合多组学标准化分析有助于明确氨基酸代谢在ALS机制中的作用。
   5.6 微量营养素代谢
   微量营养素包括必需矿物质、微量元素及维生素，均参与全身细胞及线粒体代谢。多数必需矿物质直接或间接参与线粒体生理过程，作为酶辅因子、呼吸链结构组分，调控氧化磷酸化、钙信号、抗氧化防御及氧化还原稳态。维生素多作为辅酶、抗氧化剂或线粒体信号调节因子参与线粒体代谢，8种B族维生素直接参与线粒体代谢通路，维生素C、D、E、K则参与线粒体氧化还原稳态、膜完整性、钙信号及生物能量调节。
   微量元素中铁因在线粒体代谢及氧化损伤中的核心作用受到关注，铁死亡作为一种铁依赖性脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡，是包括ALS在内的神经退行性疾病的重要致病机制，铁螯合剂去铁酮已在ALS临床试验中开展评估。维生素E作为线粒体膜内的脂溶性抗氧化剂，可保护膜结构免受氧化损伤；维生素B₁₂可通过减轻氧化应激及线粒体功能障碍降低TDP-43毒性，其活性形式甲钴胺已在ALS中开展药理剂量治疗探索。此外，辅酶Q10、乙酰左旋肉碱、α-硫辛酸、肌酸、牛磺酸、亚精胺及N-乙酰半胱氨酸等线粒体生物活性物质也可支持线粒体功能。上述发现提示优化微量营养素稳态可作为ALS的辅助治疗方案。
   5.7 代谢部分总结
   脂质、葡萄糖、氨基酸代谢及微量营养素的异常均汇聚于线粒体能量生成及代谢物处理过程，提示线粒体功能障碍是ALS代谢紊乱的核心机制环节。
6. 6.
   ALS是一种线粒体疾病
   线粒体遗传学具有多质性、母系遗传及有丝分裂分离三大特征，是区别于经典孟德尔遗传的独立框架。线粒体是分解与合成代谢的交汇点，是细胞能量调控的核心枢纽。但ALS与原发性线粒体疾病存在重要区别：原发性线粒体病常累及眼外肌，而ALS中支配眼外肌的运动神经元及眼外肌本身多保留，提示二者的线粒体功能障碍性质及组织选择性存在差异。家族性ALS多遵循常染色体显性遗传模式，不具备原发性线粒体病的典型母系遗传特征。
   线粒体DNA（mtDNA）异常包括缺失、重复、倒位、点突变及拷贝数耗竭，由于每个细胞含数百至数千个mtDNA拷贝，突变mtDNA的比例（异质性）可显著影响细胞及临床表型。ALS中已发现MT-CO1基因5'端的5bp微缺失，近期研究鉴定出ACADM及DNA2基因的罕见功能缺失变异与生存期缩短约50%相关，二者均编码线粒体功能相关蛋白。循环细胞游离mtDNA可作为线粒体损伤、炎症及损伤相关分子信号的潜在标志物，多个核编码线粒体基因变异也与ALS易感性及发病机制相关，POLG变异通过影响mtDNA维持、线粒体通路表达及线粒体自噬参与ALS发病。
   线粒体在组织间存在显著的形态、丰度、代谢活性及蛋白质组学异质性，这种进化保守的组织特异性线粒体特化可解释为何线粒体功能障碍导致特定的组织易损性，与ALS的多系统受累特征相符。
   6.1 散发性ALS中枢及运动神经元的线粒体改变
   超微结构研究显示ALS前角运动神经元存在明确的线粒体异常，包括线粒体肿胀、嵴结构破坏、胞体线粒体聚集，内部可见丝状结构，纵切面可见多层嵴呈线性排列，上述改变在对照中未见。磷-31磁共振波谱（³¹P-MRS）提示脑干及胫骨前肌等部位存在线粒体功能障碍，尤其氧化磷酸化减弱。基于体素的磁共振成像显示额叶、颞叶、小脑、岛盖及丘脑等多脑区局灶性线粒体组织密度升高，提示高代谢脑区对变性更易感。
   mtDNA分析显示ALS脊髓中突变mtDNA水平升高，柠檬酸合酶（线粒体含量标志物）活性降低，提示线粒体丢失，同时mtDNA编码的呼吸链基因表达降低。脊髓灰质中呼吸链复合物IV活性降低，但线粒体密度及分布改变提示存在代偿性增殖。蛋白质组学分析显示突触线粒体ATP合酶水平降低。线粒体D环区甲基化水平降低，与mtDNA拷贝数呈负相关，提示代偿性线粒体复制。ALS特征性蛋白TDP-43在轴突聚集可干扰线粒体转运，降低突触末端线粒体蛋白含量；FUS则可破坏线粒体-内质网信号，损害线粒体功能及ATP生成。
   6.2 星形胶质细胞的线粒体改变
   不同脑细胞的线粒体形态与功能存在差异，神经元拥有更广泛的线粒体网络及细胞器交互，星形胶质细胞则含更多溶酶体及脂滴，对急性氧化或内质网应激的应答较弱。星形胶质线粒体对长链脂肪酸的代谢效率高于神经元线粒体，其线粒体呼吸链活性较低，但拥有发育良好的线粒体网络，形态与功能随胶质反应性发生改变。星形胶质-神经元线粒体转移被认为是神经保护机制，但在亨廷顿病模型中已证实功能失调的线粒体可从星形胶质细胞转移至神经元，参与神经变性。
   转基因ALS模型显示异常胶质细胞增殖活性增强但线粒体生物能量学受损，提示与运动神经元变性相关的代谢重塑。突变SOD1(G93A)表达的星形胶质细胞可改变线粒体氧化还原状态，降低邻近运动神经元的线粒体膜电位，增加其神经毒性易损性。Kii型ALS/帕金森病-痴呆复合征（ALS/PDC）的星形胶质细胞中CHCHD2显著失调，伴纤毛功能障碍、线粒体形态异常及代谢改变，提示神经元代谢支持受损。
   人iPSC来源的星形胶质细胞研究极大推进了对ALS星形胶质细胞功能障碍的认识，但目前直接针对散发性ALS星形胶质细胞线粒体及能量代谢的研究仍十分有限。研究显示散发性及C9orf72相关ALS来源的星形胶质细胞存在代谢灵活性丧失，包括腺苷、果糖及糖原代谢受损。C9orf72星形胶质细胞存在mtDNA单核苷酸变异增加、线粒体功能障碍、氧化应激及运动神经元代谢支持能力下降。CRISPR/Cas9切除重复扩增序列可逆转突变星形胶质细胞导致的运动神经元电压门控Na⁺及K⁺电流异常，证实细胞自主与非细胞自主性致病机制并存。铜ATSM（CuATSM）处理散发性及家族性ALS来源的星形胶质细胞可提高共培养系统中运动神经元的存活率，提示代谢调控可改善星形胶质细胞的非细胞自主性效应。CCNF^S621G突变、VCP突变、TARDBP突变及FUS突变的星形胶质细胞均存在线粒体膜电位异常、网络形态改变、脂质滴聚集及神经元支持功能受损等特征。上述研究提示星形胶质细胞线粒体异常在ALS发病中起重要作用，但散发性ALS的相关研究仍需加强。
   6.3 骨骼肌的线粒体异常
   ALS肌活检可见组织化学染色阳性的细胞色素c氧化酶（COX）阴性肌纤维，生化证实COX缺陷及mtDNA多重缺失，超微结构显示10%左右的活检存在巨大线粒体、平行晶体包涵体及肌下区嵴结构异常，约半数样本存在复合物I活性降低及mtDNA含量减少，提示固有线粒体缺陷而非失神经继发性改变。早期阶段即可观察到线粒体酶活性改变，包括复合物II/柠檬酸合酶比值升高及乳酸脱氢酶活性降低。低拷贝SOD1-G93A小鼠模型显示骨骼肌线粒体异常呈阶段依赖性演变，症状早期股四头肌肌下区线粒体呈镶嵌性变性，随疾病进展，线粒体呼吸能力、氧化磷酸化效率及钙保留能力下降，脂质过氧化增加。肌肉特异性表达突变SOD1可在运动神经元变性前诱导代谢重塑，提示骨骼肌并非单纯的继发性受累靶器官，可能主动参与ALS发病机制。
   6.4 培养皮肤成纤维细胞
   皮肤来源的成纤维细胞可反映ALS的异质性，是研究线粒体功能的实用模型。ALS成纤维细胞存在高代谢及生物能量学改变，代谢活动增加与ATP生成无相关性，提示对能量利用效率降低的代偿反应。其表现为解偶联呼吸增加、线粒体膜电位升高、糖酵解增强及线粒体氧化代谢降低（OCR/ECAR比值降低），散发性及家族性ALS（含C9orf72相关ALS）中均观察到氧化磷酸化受损。尽管成纤维细胞无法复现TDP-43聚集等ALS特征性病理，但其代谢组学与脂质组学特征与系统性ALS代谢功能障碍一致，可作为机制研究与生物标志物探索的非神经元转化模型。
   6.5 iPSC来源的运动神经元
   诱导多能干细胞（iPSC）来源的运动神经元可直接研究疾病相关细胞的线粒体功能障碍，研究显示线粒体与内质网（ER）通讯受损，丙酮酸利用障碍，能量代谢向脂肪酸氧化偏移，凸显线粒体相关内质网膜（MAMs）在神经元代谢中的重要性。胞质TDP-43聚集可诱导mtDNA在线粒体进入后释放，导致进行性线粒体损伤。ALS运动神经元还存在活性氧生成增加、线粒体膜去极化、氧化磷酸化受损、ATP生成减少及线粒体蛋白导入缺陷等异常。
   6.6 散发性ALS的线粒体改变
   散发性ALS中存在跨多种细胞类型的线粒体异常，反映了非细胞自主性毒性机制的参与。
   6.7 家族性ALS的线粒体改变
   目前已鉴定出40余种家族性ALS的致病突变，除血管生成素（ANG）基因突变外，几乎所有遗传亚型均存在线粒体异常，以生物能量衰竭最为常见，其次为线粒体动力与转运障碍、线粒体自噬与质量控制缺陷、MAMs信号异常及mtDNA缺失、损伤与突变。散发性与家族性ALS的线粒体异常存在显著共性，提示二者共享下游致病通路。
   6.8 其他线粒体异常
   ALS中结构功能异常的线粒体因线粒体自噬受损而蓄积，导致活性氧生成增加、ATP生成减少及进行性细胞损伤，这种线粒体损伤的恶性循环是运动神经元变性的核心驱动因素。线粒体是重要的钙缓冲细胞器，线粒体与内质网的物理与功能交互界面——线粒体相关膜（MAMs）对钙稳态及磷脂生物合成至关重要，其功能障碍在ALS发病中发挥关键作用。
7. 7.
   氧化应激
   氧化应激是指活性氧（ROS）及活性氮（RNS）水平升高的病理状态，其来源包括线粒体、NADPH氧化酶等内源性途径及辐射、药物、饮食、吸烟、重金属、农用化学品等外源性途径。氧化应激是ALS病理生理的核心机制之一。尸检研究显示ALS患者额叶皮质蛋白质羰基（氧化蛋白产物）及8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG，氧化DNA损伤标志物）水平显著升高，脊髓运动神经元及胶质细胞中存在脂质过氧化及蛋白质糖氧化增加。存活运动神经元中 redox相关反应上调，提示抗氧化防御较强的神经元可能相对耐受。脊髓组织蛋白氧化损伤与脂肪酸组成改变及线粒体呼吸链复合物I、III功能障碍相关，支持线粒体损伤与氧化应激的机制关联，氧化应激诱发的炎症反应也参与疾病进展。
   活体成像研究显示ALS患者中央沟周围皮质（含运动皮质）存在Cu-ATSM摄取增加，提示氧化还原状态异常。脑脊液及血液中羟基自由基、抗坏血酸自由基、8-oxodG、氧化辅酶Q₁₀、总巯基（-SH）氧化及一氧化氮水平升高，超氧化物歧化酶活性降低，均提示氧化剂生成与抗氧化防御失衡。依达拉奉治疗6个月后可降低脑脊液中硝基酪氨酸水平，后续临床试验证实其可减缓ALSFRS-R评分下降，但欧洲研究结果未显示一致获益。尿液中8-oxodG及15-F2t-异前列烷等氧化损伤标志物在ALS患者中显著升高。ALS成纤维细胞暴露于过氧化氢后显示氧化损伤易感性增加，尤其见于SOD1相关家族性ALS。
   外源性氧化应激可加剧内源性氧化损伤，环境暴露多为长期累积效应，而非急性毒性作用，重金属、农用化学品等环境氧化应激源与ALS发病风险相关，支持遗传易感性与环境暴露交互作用的致病模型。
8. 8.
   ALS线粒体治疗的未来展望
   自1995年利鲁唑获批以来，全球已开展超过100项ALS临床试验，随着对ALS生物学认识的深入，治疗策略逐渐基于更坚实的机制证据。目前已探索的13种线粒体靶向疗法中，依达拉奉获FDA批准，甲钴胺获日本PMDA批准，AMX0035（苯丁酸钠+牛磺熊去氧胆酸）初期试验显示可减缓疾病进展，但后续关键试验未证实该获益，体现了ALS临床试验的挑战性。线粒体生物学的功能域对应多个潜在治疗靶点，包括线粒体动力学、线粒体自噬、MAMs功能、氧化磷酸化、钙缓冲、氧化还原稳态等，部分靶点已进入药物研发阶段。结合星形胶质细胞线粒体异常的研究，线粒体靶向治疗是ALS药物研发极具前景的方向。
9. 9.
   讨论
   本综述支持将ALS重新定义为系统性线粒体疾病，而非局限于运动神经元的疾病。尽管核心临床表型源于上下运动神经元变性，但病变已扩展至额颞叶系统、下丘脑及视觉/嗅觉等区域。外周多器官常存在亚临床受累，这种广泛受累提示ALS是累及全身的疾病过程。非神经组织因保留有丝分裂能力，可通过持续更新代偿损伤，而运动神经元等高代谢、有丝分裂后的神经元缺乏该代偿能力，因此表现出选择性易损性。ALS存在漫长的临床前阶段，体重减轻、脂质异常、视网膜改变等系统性代谢异常可早于诊断数年甚至数十年出现，LDL-C升高与40余年后的发病风险相关，皮肤TDP-43聚集可早于临床诊断数十年，神经丝生物标志物也证实神经元损伤在临床前即已启动。高代谢是ALS的核心代谢特征，除痉挛、无力及肌束震颤等因素外，多器官细胞更新增加及慢性免疫激活是能量消耗升高的重要原因。肝脏作为脂质合成的主要场所，多数ALS患者存在的亚临床非酒精性脂肪肝可能影响脂蛋白谱，需进一步研究。葡萄糖代谢与线粒体功能紧密偶联，线粒体氧化代谢受损导致细胞向糖酵解偏移，乳酸生成增加，星形胶质细胞-神经元代谢耦合障碍进一步损害神经元能量稳态，表现为线粒体功能障碍驱动的代谢僵化。2型糖尿病与ALS低风险的相关性、高升糖食物延缓疾病进展的现象仍需深入机制研究。氨基酸代谢在ALS中同样存在复杂紊乱，线粒体功能受损导致氨基酸衍生碳进入TCA循环减少，中间产物蓄积并转向胞质通路，氮处理依赖谷氨酰胺与丙氨酸缓冲系统，氧化还原失衡进一步限制生物合成与转氨基反应，反映代谢灵活性丧失。线粒体功能障碍是连接神经元变性与系统性代谢异常的核心机制，且为全身性的改变，神经元的高能量需求使其对线粒体生物能量衰竭尤为易感，但ALS的线粒体异常与原发性线粒体病的眼肌受累保留特征存在本质区别。氧化应激与线粒体功能障碍形成恶性循环，加剧细胞损伤。散发性与家族性ALS共享线粒体生化异常，提示线粒体功能障碍是最终共同通路，模糊了二者的传统界限，也为散发性ALS的机制研究提供了上游切入点。现有体重管理、能量代谢支持、血脂调控、抗氧化等临床策略与维持线粒体功能、减轻代谢应激的理念一致，虽非治愈性手段，但可部分缓解线粒体功能障碍的下游效应。
10. 10.
    结论
    本综述提出的整合模型显示，多系统受累、代谢衰竭、高代谢、线粒体功能障碍及氧化应激并非独立过程，而是ALS发病机制中紧密交织的组成模块，其中线粒体功能障碍处于核心地位，可能是早期起始事件。聚焦线粒体机制对推进治疗研发至关重要，将ALS定义为系统性线粒体疾病可为多样化的临床与实验观察提供统一框架，引导未来研究探索上游机制，需要神经科、神经遗传学、神经科学、代谢及线粒体生物学等多学科协作，以期开发出更有效的疾病修饰疗法。